(57)【要約】【課題】  中心から半径方向への屈折率変化が連続的な分布を有するプラスチック光ファイバを製造する装置及びその製造方法を提供する。【解決手段】  プラスチック光ファイバの製造装置は、少なくともコア物質を含み、コア物質と異なる屈折率を有する屈折率調節物質をそれぞれ収容するための屈折率調節物質容器１２０と、コア物質と異なる屈折率を有するクラッド物質を収容するためのクラッド物質容器１３０と、それぞれの容器１２０，１３０から流入される屈折率調節物質及びクラッド物質を、一定半径範囲内に制限して物理的押出によって流出させるためのクロスヘッド１４０と、クロスヘッド１４０から押出される屈折率調節物質とクラッド物質とを、該押出される方向の垂直同心方向に混合されるようにする回転部１５０とを含む。【選択図】  図３
2005157376.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくともコア物質を含み、前記コア物質と異なる屈折率を有する屈折率調節物質をそれぞれ収容するための屈折率調節物質容器と、
前記コア物質と異なる屈折率を有するクラッド物質を収容するためのクラッド物質容器と、
前記それぞれの容器から流入される前記屈折率調節物質及び前記クラッド物質を、一定半径範囲内に制限して物理的押出によって流出させるためのクロスヘッドと、
前記クロスヘッドから押出される屈折率調節物質とクラッド物質とを、該押出される方向の垂直同心方向に混合するための回転部と、
を具備することを特徴とするプラスチック光ファイバの製造装置。
【請求項２】
前記クロスヘッドは、
前記それぞれの屈折率調節物質が流入されるコアチューブと、
前記クラッド物質が流入される通路を備えるクロスヘッドハウジングと、
前記屈折率調節物質及びクラッド物質を一定の半径に制限して流入させるためのダイホルダと、
を具備することを特徴とする請求項１記載のプラスチック光ファイバの製造装置。
【請求項３】
前記回転部は、
前記クロスヘッドに着脱可能に締結されるノズルと、
前記ノズルを回転させるための回転動力部と、
を具備することを特徴とする請求項２記載のプラスチック光ファイバの製造装置。
【請求項４】
前記ノズルの長さが５０cmを超えないこと
を特徴とする請求項３記載のプラスチック光ファイバの製造装置。
【請求項５】
少なくともコア物質を含み、屈折率が相互に異なる少なくとも一以上の屈折率調節物質を、持続的に供給する過程と、
前記屈折率調節物質と異なる屈折率を有するクラッド物質を、前記屈折率調節物質を中心に円周状に持続的に供給する過程と、
前記屈折率調節物質とクラッド物質を一定の半径を有するように押出する過程と、
前記押出される屈折率調節物質とクラッド物質をその押出方向の垂直同心円方向に混合させる過程と、
前記混合物質からプラスチック光ファイバを引き出す過程と、
を含むことを特徴とするプラスチック光ファイバの製造方法。
【請求項６】
前記屈折率調節物質を持続的に供給する過程は、その中心にコア物質が位置し、前記コア物質を中心に他の屈折率調節物質が円周部を有するように供給すること
を特徴とする請求項５記載のプラスチック光ファイバの製造方法。
【請求項７】
前記クラッド物質は、少なくとも一つの単量体（monomer）から重合された一定の屈折率を有する高分子物質であること
を特徴とする請求項５記載のプラスチック光ファイバの製造方法。
【請求項８】
前記押出される屈折率調節物質とクラッド物質をその押出方向の垂直同心方向に混合させる過程により前記プラスチック光ファイバの中心からの距離がそれぞれａ、ｂ(ａ≧ｂ)の場合に、ａとｂとの間の領域の屈折率ｎ(ａ-ｂ)は、下記数式に従うこと
を特徴とする請求項５記載のプラスチック光ファイバの製造方法。
[数式]
ｎ(ａ-ｂ)＝ｎBASE＋Σ(ｎｉ-ｎBASE )ｒｉ２/π(a２-ｂ２) 
(ここで、ｎｉはｉ番目の屈折率調節物質の屈折率、ｒｉはｉ番目の屈折率調節物質の半径、ｎBASEはクラッド物質の屈折率をそれぞれ示す。) 
【請求項９】
コア物質を収容するためのコア物質容器と、
前記コア物質と異なる屈折率を有するクラッド物質を収容するためのクラッド物質容器と、
前記それぞれの容器から流入されるコア物質及び前記クラッド物質を、一定の半径範囲内に制限して物理的押出によって流出させるためのクロスヘッドと、
前記クロスヘッドから押出されるコア物質とクラッド物質とを、該押出される方向の垂直同心方向に混合させる回転部と、
を具備することを特徴とするプラスチック光ファイバの製造装置。
【請求項１０】
コア物質を収容するためのコア物質容器と、
前記コアの屈折率調節のための屈折率調節物質を収容する屈折率調節物質容器と、
前記コア物質と異なる屈折率を有するクラッド物質を収容するクラッド物質容器と、
前記それぞれの容器から流入される前記コア物質及び前記コアの屈折率調節物質及び前記クラッド物質を一定の半径範囲内に制限して物理的押出によって流出するクロスヘッドと、
前記クロスヘッドから押出される屈折率調節物質とクラッド物質が流入される方向の垂直同心方向に混合するための回転部と、
を具備することを特徴とするプラスチック光ファイバの製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光ファイバに関し、特に光ファイバの中心から半径方向への屈折率変化が連続的な分布を有するプラスチック光ファイバ製造装置及びその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
通信用光ファイバは、光信号の伝達様式に従って、単一モード(single-mode)ファイバと、多重モード(multi-mode)ファイバと、に区分される。現在使用される長距離高速通信用光ファイバの大部分は、石英ガラスを基本物質としたステップインデックス単一モード(step-index single-mode)光ファイバである。この単一モードのガラス光ファイバは、その直径が５乃至１０μｍ程度をなす、極めて細いものである。したがって、このようなガラス光ファイバは、製造工程における整列及び接続(connection)に非常に困難が伴うものであり、それによりコスト増加が発生する。一方、単一モード光ファイバよりも直径が大きい多重モードのガラス光ファイバの場合は、ＬＡＮ(Local Area Network)のような短距離通信用に使用されることができるが、接続に関してコストが増加し、割れやすいという短所があるので、広く適用するのが困難であった。
【０００３】
したがって、ツイストペア(twisted pair)又は同軸ケーブル(coaxial cable)などの金属線が、ＬＡＮのような２００ｍ内の短距離通信に主に使用された。しかしながら、金属線は、その情報伝達速度又は伝送帯域幅が最大１５０Mbps程度であり、２０００年代のＡＴＭ(Asynchronous Transfer Mode)基準の６２５Mbpsに至ることができないため、将来の伝達速度基準を満たすことができない。
【０００４】
上記の理由で、ＬＡＮのような短距離通信に使用できる高分子素材の光ファイバの開発に、多くの努力及び投資が続けて行われている。プラスチック光ファイバは、高分子物質の柔軟性により、その直径がガラス光ファイバよりも１００倍以上大きい０.５乃至１.０mm程度に至るので、整列や接続が容易であり、押出成形で製造される高分子素材接続部品が使用できるので、大幅なコスト低減が期待できる。
【０００５】
一方、プラスチック光ファイバは、半径方向の屈折率変化が階段形のステップインデックス(Step-Index：ＳＩ)構造、或いは、屈折率が半径方向に徐々に変わるグレーデッドインデックス(Graded-Index：ＧＩ)構造で形成することができる。ＳＩ構造のプラスチック光ファイバは、モードの分散(modal dispersion)が大きいため、信号の伝送速度が金属線よりも速くすることができない。一方、ＧＩ構造のプラスチック光ファイバは、太い直径によるコスト節減の効果と、小さいモード分散によって高い情報伝達速度を有し、それにより短距離高速通信用媒体として好適である。
【０００６】
従来のＧＩ構造のプラスチック光ファイバの製造工程は、大きく２種類、すなわち、屈折率が調節された母材を製造した後に引出(draw)によって光ファイバを製造する方法と、屈折率が異なる高分子を連続的に押出(extrude)する方法と、に大別される。 
【０００７】
まず、引出による光ファイバの製造方法は、回転する光ファイバ母材製作用チューブ又は反応器に単量体（monomer）原料物質又は高分子体を注入しつつ、重合を遂行してチューブ又は反応器の壁面から中心方向に一定した屈折率を有するクラッドを形成し、同一の方法で当該クラッドと異なる屈折率を有するコア物質をチューブ又は反応器に投入することにより、外側からコア中心部まで徐々に増加あるいは減少する多様な屈折率分布を有するように形成することができる。
【０００８】
しかしながら、上記引出による方法は、屈折率分布を所望のものとなるように任意に調節し、あるいは屈折率の増加又は減少が連続的な分布を持つようにする工程が容易でなく、さらに、屈折率調節用ドーパント(dopant)を用いる場合にはこれが一層困難になる、という問題点があった。
【０００９】
これに対して、押出による光ファイバの製造方法は、クラッドに該当する一定の屈折率を有する物質と、コアに該当する前記クラッドと異なる屈折率を有する物質とを連続的に供給することで、押出時に、コアとクラッドとの境界で拡散によって徐々に屈折率が変化する方法である。
【００１０】
従来の押出によるプラスチック光ファイバの製造方法は、米国特許第５,５９３,６２１号において、押出時の高分子又はドーパントの拡散によりＧＩ光ファイバを製造できることが開示されている。
【００１１】
しかしながら、このような従来の技術は、実際の押出速度が非常に遅く、同様に、屈折率分布を所望のものにするように任意に調節し、あるいは屈折率の増加又は減少が連続的な分布を有するようにする工程が容易ではない。
【００１２】
一方、従来の光ファイバ押出装置は、一般に、押出に必要な圧力を加えるためのガスが収容されたガスタンク(tank)と、コア物質とクラッド物質がそれぞれ収容された容器(containers)と、前記コア物質とクラッド物質が結合されるクロスヘッドとコア-クラッドとの間の拡散が起こる拡散区間と、温度制御装置と、を備えている。
【００１３】
図１は、従来の光ファイバ押出装置の一部を詳細に示すものであり、クロスヘッド１０と拡散区間２０の例示図である。クロスヘッド１０は、コアチューブ１１と、ナット１２と、クロスヘッドハウジング１３と、ダイホルダ１４，１５とを備えている。このクロスヘッド１０は、コア物質が拡散区間２０の中心に流れ、クラッド物質がコア物質を中心にその周辺に分布されるように構成される。溶融されたコア物質は、コアチューブ１１を通じてクロスヘッド内に流入され、続いて、溶融されたクラッド物質がクロスヘッドハウジング１３に形成された通路(channel)１６を通じてクロスヘッド内に流入されて、コア物質と結合される。拡散区間２０は、クロスヘッド１０のダイホルダ１５にネジで締結され、コアとクラッド物質に含まれたドーパントが徐々に拡散して屈折率の変化を示すようにする機能を担っている。
【００１４】
しかしながら、従来の光ファイバ押出装置は、拡散区間の長さが少なくとも５０cmを超えるように設計されなければならず、良好な屈折率分布を得るためには、１００〜４００cmに該当する拡散区間を維持しなければならない。従って、押出装置のサイズが大きくなり、光ファイバの押出に長い時間がかかるという問題点があった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
したがって、本発明は、上述した従来技術の問題点を解決するために提案されたものであり、その目的は、中心から半径方向への屈折率変化が連続的な分布を有するプラスチック光ファイバを製造する装置及びその製造方法を提供することにある。
【００１６】
本発明の他の目的は、光ファイバが所望の屈折率分布を有するように任意に調節できるプラスチック光ファイバ製造装置及びその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
上記の目的を達成するために、本発明に係るプラスチック光ファイバの製造装置は、少なくともコア物質を含み、前記コア物質と異なる屈折率を有する屈折率調節物質をそれぞれ収容するための屈折率調節物質容器と、前記コア物質と異なる屈折率を有するクラッド物質を収容するためのクラッド物質容器と、前記それぞれの容器から流入される前記屈折率調節物質及び前記クラッド物質を、一定半径範囲内に制限して物理的押出によって流出させるためのクロスヘッドと、前記クロスヘッドから押出される屈折率調節物質とクラッド物質とを、該押出される方向の垂直同心方向に混合するための回転部と、を具備する。
【００１８】
また、本発明に係るプラスチック光ファイバの製造方法は、少なくともコア物質を含み、屈折率が相互に異なる少なくとも一以上の屈折率調節物質を持続的に供給する過程と、前記屈折率調節物質と異なる屈折率を有するクラッド物質を、前記屈折率調節物質を中心に円周状に持続的に供給する過程と、前記屈折率調節物質とクラッド物質を一定の半径を有するように押出する過程と、前記押出される屈折率調節物質とクラッド物質をその押出方向の垂直同心円方向に混合させる過程と、前記混合物質からプラスチック光ファイバを引き出す過程と、を含む。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、従来のプラスチック光ファイバ押出装置に回転可能なノズルを構成してコア物質とクラッド物質が円周方向に拡散又は混合させることで、屈折率分布が連続的な光ファイバを製造することができ、押出後に別途の拡散工程を経ることなく直ちに巻き取ることが可能となる。
【００２０】
したがって、本発明によれば、従来の長い拡散区間を有する光ファイバ押出装置と比較して、設備のサイズを縮小することができ、光ファイバの製造時間が短縮される長所がある。
【００２１】
また、本発明によれば、屈折率の増加又は減少が連続的な分布を有する光ファイバを容易に製造でき、光ファイバの任意の箇所（位置）での屈折率を調節することもできる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、本発明による望ましい実施形態を添付の図面を参照して詳細に説明する。図面において、同一の構成要素についてはできるだけ同一の参照番号及び参照符号を付して説明する。また、本発明において関連した公知機能あるいは構成に関する具体的な説明が本発明の要旨を不明にすると判断される場合、その詳細な説明は省略する。
【００２３】
図２は、本発明が適用される光ファイバ押出装置１００の構成例を概略的に示すブロック図である。光ファイバ押出装置１００は、ガスタンク１１０と、コア物質容器１２０と、クラッド物質容器１３０と、クロスヘッド１４０と、回転部１５０とを含んでなる。また、図示していないが、ガス，コア物質，クラッド物質それぞれの流量を制御する流量制御装置、フィルタ、温度制御装置、コーティング装置、巻き取り装置などが含まれる。
【００２４】
ガスタンク１１０には、押出に必要な圧力を加えるための窒素などのガスが収容されている。
【００２５】
コア物質容器(container)１２０には、屈折率が相互に異なる少なくとも一つ以上のドーパント(dopant)或いは高分子体(polymer)が、それぞれ個別の容器(vessel)内に入れられる。
【００２６】
クラッド物質容器１３０には、クラッドをなす基底高分子体(base polymer)が収容される。
【００２７】
クロスヘッド１４０は、少なくとも一つのコア物質及びクラッド物質を結合して、これらの結合体が、予め定められた一定の半径となるようにする。
【００２８】
回転部１５０は、上記のドーパント或いは高分子体を拡散するために、クロスヘッド１４０から押出される一定の半径のコアとクラッドの結合体を回転させる。
【００２９】
図３は、クロスヘッド１４０と回転部１５０を詳細に示すものである。同図を参照すれば、クロスヘッド１４０は、コアチューブ１４１、クロスヘッドハウジング１４２、及びダイホルダ１４３，１４４を含んで構成され、各構成要素はナット１４５によって結合される。ここで、コアチューブ１４１は、相互に異なる屈折率を有するドーパント或いは高分子体のそれぞれに対応するように、複数（この実施形態では、通路Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄの４つ）に分割された構成となっている。回転部１５０は、クロスヘッド１４０に着脱するようにダイホルダ１４４の下側にネジで締結されたノズル１５１と、このノズル１５１を回転させるためのモータ１５３及びモータ制御部１５４を備える回転動力部１５２と、を具備している。
【００３０】
上記の構成を有する本発明の光ファイバ押出装置の動作は、次の通りである。
【００３１】
それぞれのコア物質は、コアチューブ１４１の通路Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄを通じてクロスヘッド１４０内に流入され、一方、クラッド物質がクロスヘッドハウジング１４２に形成された通路（図１，図３参照）を通じてクロスヘッド内に流入されて、コア物質と結合される。この結合されたコア物質とクラッド物質は、それらに加えられたスクリューの力（screw force）によってノズル１５１を通過する。このとき、ノズル１５１は、モータ１５３及びモータ制御部１５４の稼動により、コア物質及びクラッド物質が流れる方向の垂直同心方向に回転する。このような垂直同心方向への機械的な回転によって、コア物質及びクラッド物質は、円周方向に拡散又は混合され、これにより、連続的な屈折率変化を有する光ファイバ１が製造される。この製造された光ファイバの屈折率分布は、コア及びクラッド物質の屈折率、組成及び分布密度、押出速度、ノズル１５１の回転速度に応じて変わるようになる。
【００３２】
図４（ａ）は図３の線Ａ-Ａ’に沿ったダイホルダ１４４の断面図であり、図４（ｂ）は線Ｂ-Ｂ’に沿ったノズル１５１の断面図であり、図５は図４（ｂ）に示す光ファイバの屈折率を示すプロファイルである。図４（ａ）で、参照番号４１はクラッド物質の基底高分子体を、参照番号４２，４３，４４はそれぞれ相互に異なる屈折率を有する高分子体を示す。これらの図から、ノズル１５１の回転による機械的な拡散又は混合の工程を経ることによって、光ファイバの屈折率が連続的な分布を持つことが確認できる。
【００３３】
仮に、ノズル１５１に流入されるコア物質とクラッド物質の結合体の断面(図３の線Ａ-Ａ’に沿った断面)構造が図６に示すようなものである場合には、光ファイバの中心Ｃからの距離aと距離bとの間の領域における屈折率、すなわちｎ(ａ-ｂ)は、ａとbとの間の屈折率調節用高分子Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐｉが有する屈折率ｎ1，ｎ2，ｎ3，ｎiの平均値で示すことができる。これを式で示すと、次の数式１のように表される。
【数１】
2005157376.tif 000003
【００３４】
したがって、ｎ(ａ-ｂ)＝ｎBASE＋Σ(ｎｉ-ｎBASE)ｒｉ２/π(ａ２-ｂ２)
で示され、上記式から、所望の屈折率プロファイル(profile)を実現するために必要な高分子物質の配置或いは屈折率らがわかる。使用可能な高分子物質及びこれらの屈折率は下記の〈表１〉に、使用可能な屈折率調節物質及びこれらの屈折率は下記の〈表２〉の通りである。なお、〈表１〉、〈表２〉に示す物質は一例として挙げるものであり、本発明がこれに限定されるものではない。
【表１】
2005157376.tif 000004
【表２】
2005157376.tif 000005
【００３５】
以上、本発明を具体的な実施形態に則して詳細に説明したが、本発明の範囲を外れない範囲内で多様な変形が可能であることは勿論である。したがって、本発明の範囲は、説明した実施形態に局限して定められるべきではなく、特許請求の範囲及び該範囲と均等なものにより定められるべきである。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】従来の光ファイバ押出装置の一例であって、クロスヘッド部分を詳細に示す図である。
【図２】本発明が適用される光ファイバ押出装置の構成例を概略的に示すブロック図である。
【図３】本発明によるクロスヘッドと回転部を詳細に示す図である。
【図４】ダイホルダ及びノズルを通過する物質の状態等を説明する図であり、図４（ａ）は図３の線Ａ-Ａ’に沿ったダイホルダの断面図で、図４（ｂ）は線Ｂ-Ｂ’に沿ったノズルの断面図である。
【図５】図４（ｂ）に示すプラスチック光ファイバの屈折率のプロファイルを表す図である。
【図６】本発明の屈折率調節原理を説明するための図である。
【符号の説明】
【００３７】
１００  光ファイバ押出装置
１１０  ガスタンク
１２０  コア物質容器（屈折率調節物質容器）
１３０  クラッド物質容器
１４０  クロスヘッド
１４１  コアチューブ
１４２  クロスヘッドハウジング
１４３，１４４  ダイホルダ
１５０  回転部
１５１  ノズル
１５２  回転動力部
１５３  モータ
１５４  モータ制御部
１  光ファイバ
【図１】
2005157376.tif 000006
【図２】
2005157376.tif 000007
【図３】
2005157376.tif 000008
【図４】
2005157376.tif 000009
【図５】
2005157376.tif 000010
【図６】
2005157376.tif 000011